高强度弹簧钢的发展现状和趋势(二)

2010-04-02 09:22 来源: 我的钢铁

高强度弹簧钢的发展现状和趋势(二)

北满特殊钢公司徐德祥哈尔滨工业大学尹钟大

3弹簧钢合金化的研究进展

如前所述,传统的弹簧钢的强度水平难以满足现代工业发展的要求。解决这一问题的一个重要途径便是如何充分发挥合金元素的作用,达到最佳合金化效果。

3.1碳含量的变化

碳是钢中的主要强化元素,对弹簧钢性能的影响往往超过其他合金元素。弹簧钢需要较高的强度和疲劳极限,一般在淬火+中温回火的状态下使用,以获得较高的弹性极限。为保证强度,弹簧钢中必须含有足够的碳。但随钢中碳含量的上升,钢的塑性、韧性会急剧下降。当前世界各国所广泛使用的弹簧钢,碳含量绝大部分在0.45%~0.65%。为了克服弹簧钢强度提高后韧性和塑性降低的难题,也有把碳含量降低的趋势。当前纳入标准的弹簧钢中含碳较低的有日本的SUP10(0.47%~0.55%)、美国的6150(0.48%~0.53%)、德国的38Si7(0.35%~0.42%)、法国的45C4(0.41%~0.48%)等。国内对低碳马氏体弹簧钢进行了深入的研究[5],并开发出了一系列的低碳弹簧钢,如28SiMnB、35SiMnB、26Si2MnCrV等,其碳含量在0.30%左右。研究结果表明,这些弹簧钢可以在低温回火的板条状马氏体组织下使用,有足够强度和优良的综合力学性能,尤其是塑、韧性极好。日本最近研究开发的几种高强度弹簧钢,如UHS1900、UHS2000、ND120S、ND250S等,碳含量均在0.40%左右.

可见,降低弹簧钢中的碳含量是研究开发新一代超高强度弹簧钢的一个重要手段。此时,因碳含量降低所造成的强度和硬度降低可通过优化合金元素和降低回火温度来实现。

3.2合金元素作用

合金元素在弹簧钢中的主要作用是提高力学性能、改善工艺性能及赋予某些特殊性能(如耐高温、耐蚀)等,对此已有相当的了解。但随着弹簧钢进一步的高强度化和长寿命化,特别是要满足一些新的性能要求,必须对合金元素的作用有更加深入的了解。

如前所述,提高弹簧钢的弹减抗力是目前弹簧钢种研究开发的主要之一。因此,近期对合金元素所作的研究工作都是围绕这一问题的。

3.2.1Si

很多弹簧钢以硅为主要合金元素,它是对弹减抗力影响最大的合金元素,这主要是由于硅具有强烈的固溶强化作用;同时,硅能抑制渗碳体在回火过程中的晶核形成和长大,改变回火时析出碳化物的数量、尺寸和形态,提高钢的回火稳定性[5],从而提高位错运动的阻力,显著提高弹簧钢的弹减抗力。据报导[6],在0.60%C-0.90%Mn-0.20%Mo的钢中,随着硅含量增加,碳化物颗粒数目增加,而碳化物颗粒尺寸和间距则缩小。因此,近年来研制开发的很多高强度弹簧钢均含有较高的硅,如RK360含2.51%Si,ND250S含2.5%Si[3],ND120S含1.70%Si[7]。

关于提高弹减抗力作用最大的最佳硅含量,各个研究者得出的数据至今仍不尽相同。如Kawakami等[8,9]的研究结果表明,在Si-Cr、Si-Cr-Mo和Si-Cr-V钢中硅含量为1.5%时作用最大,并据此开发出一种弹减抗力优异的新型弹簧钢SRS60。大原等[10]对SUP9A钢的结果表明,硅含量在1.5%~2.0%附近弹减抗力呈饱和状态,超过2.0%则下降。新仓等认为Si-Mn钢中硅含量为2.2%时作用最大。Ohara等[11,12]则认为硅含量即使提高到2.5%左右,弹减抗力仍然不断提高。在现有的标准弹簧钢中,SAE9260和SUP7的抗弹减性最好,这两个钢种化学成分相同,含硅为1.8%~2.2%,是现有标准中含硅最高的弹簧钢。但硅含量如果过高,将促进钢在轧制和热处理过程中的脱碳和石墨化倾向,并且使冶炼困难和易形成夹杂物,因此过高硅含量弹簧钢的使用仍需慎重。

3.2.2Cr

由于铬能够显著提高钢的淬透性,阻止Si-Cr钢球化退火时的石墨化倾向,减少脱碳层,因此是弹簧钢中的常用合金元素,以铬为主要强化元素的弹簧钢50CrV4在世界各国有较广泛的应用,美国用量最大的弹簧钢5160属于Mn-Cr系钢。由于资源问题,美国曾研究低铬或无铬的悬挂弹簧用钢[6]。在新研制的高强度弹簧钢中也总是含有不同数量的铬。然而,多数研究者认为铬对提高弹减抗力的作用为负。文献[13]指出钢中铬含量在0.35%~0.56%范围内将削弱1.0%Si弹簧钢中Si和C提高弹减抗力的作用;在Si-Cr、Si-Cr-V、Si-Cr-Mo钢中铬对弹减抗力有不好的作用。Ozone等[14]对SUP7(SAE9260)钢的研究亦表明铬的这种不利作用,具体原因仍不清楚,可能与Cr倾向聚集在渗碳体中有关。亦有研究指出铬含量小于0.70%(特别是0.55%)时对弹减抗力无影响,如果铬和硅含量保持合适的比例也会对改善弹减抗力起有利作用。

3.2.3Ni

由于Ni元素较贵,在弹簧钢中应用较少,有关研究不多。然而,近年来研究开发的一些超高强度弹簧钢中却有一些含有镍,如日本大同的RK360(ND250S)钢和韩国浦项的Si-Cr-Ni-V钢中均含有约2%Ni,ND120S钢中则含有0.5%Ni。这些钢中加Ni的作用除保证钢在超高强度下的韧性和提高钢的淬透性外,另一个重要作用便是抑制腐蚀环境下蚀坑的萌生和扩展。图2是镍含量对腐蚀坑深度的影响。

3.2.4Mo

钼可以提高钢的淬透性,防止回火脆性,改善疲劳性能。现有标准中加钼的弹簧钢不多,加入量一般在0.4%以下。弹簧钢中加入钼(含量在0.4%以下)能改善抗弹减性,因为钼可以生成细小弥散的碳化物阻止位错运动。认为钼提高弹减抗力的作用与应变量有关,当应变量增加时钼的作用才突出,亦有研究结果表明,仅当回火温度超过400℃时钼改善弹减抗力的效果才比较有效。有报导[15]在一种化学成分约为(0.56%~0.67%)C-1.4%Si-0.7%Mn-1.5%Cr-(0.18~0.41%)V的钢中Mo,可以提高钢的抗回火软化能力。Mo的这种作用在含量约为0.5%以上时达到饱和。对于需要通过渗氮进行表面强化的钢,提高抗回火软化能力是非常重要的。

3.2.5微合金化元素

像SUP7、SAE9260这类钢的硅含量已达最高值,再靠提高硅含量来提高弹减抗力很困难。要想开发弹减抗力更好,而且综合性能优良的新材料,必须寻找新的途径。其中一个重要途径便是利用析出强化和晶粒细化强化技术,如加入微合金元素V和Nb。

钒和铌都是强碳化物生成元素,固态下所析出的细小弥散的MC型碳化物具有很强的沉淀强化效果,除提高钢的强度和硬度外,还可提高钢的抗弹减性[5]。20世纪80年代初,日本爱知制钢公司开发了以SUP7为基础,添加V和Nb析出强化的新钢种(SUP72V2Nb);20世纪90年代初,美国Rockwell公司开发出了微合金元素V处理的改进型SAE9259和SAE9254弹簧钢,与此同时,美国Inland钢铁公司开发出微合金元素V、Nb处理的悬挂弹簧钢92V45和92V54[1]。然而亦有研究结果表明,用钒、铌处理的弹簧钢并没有体现出提高弹减抗力的效果。这是因为钒、铌处理的钢必须经550℃回火才能产生碳化物沉淀析出,而在这样高的温度回火,钢的硬度已达不到50HRC。所以,如果弹簧钢要在高于50HRC硬度下使用,加入钒、铌对提高抗弹减性是没有什么作用的。但也有报导与此不同,即使在回火后硬度达51HRC的情况下,钒仍可提高钢的抗弹减性。

硼是强烈提高淬透性的元素,0.001%~0.003%的硼的作用分别相当于0.6%Mn、0.7%Cr、0.15%Mo、1.5%Ni。有报导认为硼能提高钢的抗弹减性,因为硼以间隙原子形式溶入奥氏体、铁素体时,特别容易聚集在位错线附近,阻碍位错运动,抑制变形过程。现有弹簧钢中含硼的钢种,我国标准中有55Si2MnB、55SiMnVB、60CrMnBA,日本的SUP11A,美国的50B60、15B60、俄罗斯的55XгP等。在美国,为了节约铬,通过研究认为15B62钢的淬透性与5160钢相当,可以做为5160钢的代用钢。

——本文摘自《中国金相分析网》


相关文章

钢铁资源

请输入关键字,如品名、公司名、规格、材质、钢厂、电话